Чтение онлайн

В 1921 г. П.Л.Капицу направили в научную командировку в Англию. Здесь он работал в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета под руководством прославленного Э. Резерфорда, а с 1924 по 1932 г. был его заместителем по лаборатории. Уже в те годы у П. Л. Капицы проявился характерный для него революционный подход к любой проблеме, за которую он брался, появились первые научные исследования в области явлений, протекающих в сильных магнитных полях и при низких температурах.

Крупные успехи П. Л. Капицы побудили Лондонское Королевское общество организовать в 1930 г. специальную лабораторию для работы в области низких температур и в сильных магнитных полях, директором которой был назначен Петр Леонидович.

Вернувшись в 1934 г. из Англии в Москву, он организовал Институт физических проблем, который был оснащен полученным из Англии оборудованием, включая и построенные П. Л. Капицей установки. С этого года и до последних дней жизни П. Л. Капица являлся бессменным директором вновь организованного института, вел интенсивную научную и общественную работу. П. Л. Капица был одним из инициаторов создания Московского физико-технического института — одного из ведущих и крупнейших в нашей стране высших учебных заведений.

КАК ПОЛУЧАЛИ НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕ ВРЕМЕНА?

Низкие температуры в 30-е годы начали получать с помощью жидкого гелия на специальных устройствах, работающих на основе эффекта Джоуля — Томсонау — используя охлаждение газа при его дросселировании, т. е. при пропускании газа через вентиль, создававшим большой перепад давления. Охлаждение газа в этом случае связано с его неидеальностыо, и эффект Джоуля — Томсона приводит к охлаждению газа только тогда, когда его температура ниже так называемой температуры инверсии. Для гелия, например, температура инверсии составляет около 15 К, поэтому в ожижителях гелия, работающих на основе эффекта Джоуля — Томсона, необходимо иметь предварительную ступень охлаждения гелия жидким водородом, поскольку температура инверсии у водорода выше, чем у гелия («всего» 100 К).

Рассмотрим несколько подробнее теоретические предпосылки указанного эффекта, возможности получения низких температур и сжижения газов (прежде всего гелия).

Пусть в адиабатном изолированном цилиндре (исключающем теплообмен с окружающей средой) находится идеальный газ (рис. 12).

Рис. 12. В адиабатно изолированном цилиндре газ пропускают через пористую перегородку из одной области в другую

Этот газ через пористую перегородку пропускают из области с большим давлением р1 в область с меньшим давлением р2 (из-за трения в этой перегородке поток не испытывает завихрений, и газ по обе стороны от нее однороден). При таком расширении идеального газа с перепадом давлений (р1 > р2) изменения температуры происходить не должно, так как в этом случае идеальный газ не совершает работы.

НЕ МОЖЕТ БЫТЬ! ВЕДЬ ОБЪЕМ-ТО ИЗМЕНИЛСЯ ОТ V1 ДО V2, А РАБОТА ГАЗА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КАК W = рW?

И все же никакого противоречия здесь нет. Ведь идеальный газ — газ, в котором энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией этих молекул, — существует лишь в нашем воображении. Естественно, если уж молекулы идеального газа не взаимодействовали друг с другом до расширения, то после расширения они не взаимодействуют и подавно (ведь расстояние между молекулами увеличилось еще больше).

Так как процесс адиабатный, то система не получает теплоты извне и не отдает ее через стенки цилиндра (Q = 0). Из первого начала термодинамики Q = U + W следует, что при Q = 0 W = 0, т. е. U = CVT = 0. Так как CV не равно 0, то T = 0, т. е. изменения температуры в идеальном газе не происходит.

Теперь поместим в цилиндр какой-либо реальный газ. В этом случае адиабатное расширение газа приведет к изменению температуры, так как реальные молекулы всегда взаимодействуют друг с другом и при расширении газа происходит изменение его внутренней энергии.

Это явление изменения температуры газа при его адиабатном расширении и носит название эффекта Джоуля — Томсона.

Теория и практика показали, что для реальных газов:

а) если силы взаимодействия между молекулами малы (водород, гелий и другие инертные газы), то газ нагревается (Т > 0);

б) если силы взаимодействия между молекулами велики (большинство газов), то газ охлаждается (Т < 0);

в) при некоторой температуре Тi реального газа, при его расширении он ведет себя как идеальный, т. е. не меняет своей температуры (T = 0). Эта температура и носит название температуры инверсии. При ней эффект Джоуля — Томсона меняет знак: ниже температуры инверсии (Тi) водород и гелий охлаждаются (положительный эффект), выше Тi — эти газы нагреваются (отрицательный эффект).

Подчеркнем еще раз: для того чтобы по методу Джоуля — Томсона охладить гелий и превратить его в жидкость, его температуру необходимо предварительно довести до значения, меньшего Тi, что и делают с помощью кипящего водорода.

Геометрическое место точек инверсии для данного вещества на диаграмме его состояния называют инверсионной или – кривой и температуру инверсии обычно называют – точкой.

ИНТЕРЕСНО, КАКИМИ СВОЙСТВАМИ ОБЛАДАЕТ ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ?

Исследования жидкого гелия при сверхнизких температурах обнаружили, что он не похож ни на какую другую жидкость.

В чем состоит эта непохожесть? Давайте сначала вспомним, какие общие свойства имеют жидкости, например вода.

Обратим внимание на так называемую фазовую диаграмму воды (рис. 13). На ней изображены три кривые, разделяющие три фазы (три состояния) воды. Кривые пересекаются в одной точке — так называемой тройной точке воды. В этой точке граничат сразу три фазы: твердая, жидкая и газообразная, и все три можно наблюдать одновременно.